一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法
【專利摘要】一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法，在飛行器艙體表面預(yù)先開設(shè)多個經(jīng)度凹槽和緯度凹槽，并在飛行器艙體兩端分別預(yù)留經(jīng)度入艙孔和圓周上設(shè)置與緯度凹槽一一對應(yīng)的緯度入艙孔；然后將多路光纖傳感器布設(shè)在多個經(jīng)度凹槽和緯度凹槽內(nèi)，用粘膠劑填充凹槽將其固定，實現(xiàn)在飛行器艙體表面預(yù)埋光纖傳感器；多路光纖傳感器經(jīng)相應(yīng)的經(jīng)度入艙孔和緯度入艙孔進入艙內(nèi)，在艙體兩端匯集成光纖束并集成于光纖連接器，然后與信息采集設(shè)備連接或者與相鄰艙體連通。本發(fā)明可實現(xiàn)在單艙體或多艙體對接飛行器表面預(yù)埋光纖傳感器，形成光纖傳感檢測網(wǎng)絡(luò)，解決飛行器艙體的力學性能及損傷情況的全面監(jiān)測問題，具有可靠性高、易操作的優(yōu)點。
【專利說明】一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法，實現(xiàn)飛行器光纖智能結(jié)構(gòu)的目的，用于飛行器艙體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測、損傷探測等。
【背景技術(shù)】
[0002]智能結(jié)構(gòu)，就是在基體中嵌入或粘貼傳感器，從而能感知自身的實際狀態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)或在線狀態(tài)下自檢測、自診斷、自監(jiān)控、自修復(fù)及自適應(yīng)等多種功能。其研究始于80年代，美國政府首先提出了開展此方面的研究，隨后世界其他發(fā)達國家和地區(qū)都相繼開展智能結(jié)構(gòu)的研究。進人90年代，其在軍事和民用領(lǐng)域中潛在的應(yīng)用價值，已經(jīng)引起人們的極大關(guān)注，智能結(jié)構(gòu)的研究空前活躍。該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用意味著工程結(jié)構(gòu)功能的增強、結(jié)構(gòu)使用效率的提高、結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化及結(jié)構(gòu)維護成本的降低。航空航天飛行器對結(jié)構(gòu)性能日益增高的要求以及飛行任務(wù)復(fù)雜程度的逐漸上升等因素，使得智能結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)愈來愈顯示出旺盛的生命力及重要性。
[0003]目前，可以用于智能結(jié)構(gòu)的傳感器的選擇很多，常用的有壓電陶瓷、電阻應(yīng)變絲、超磁致伸縮薄膜及光纖等，其中光纖傳感器由于其具有體積小、質(zhì)量輕、強度高、彎曲性好、柔韌性好、不受電磁波干擾、不需外加電源、耐腐蝕、成本低等優(yōu)點，且可方便的布設(shè)在殼體表面上構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)格，受到很多智能結(jié)構(gòu)研究人員的青睞，逐步形成一個新的領(lǐng)域一光纖智能結(jié)構(gòu)。例如波音公司的專利 US7212696B2 (Fiber Optic Damage Detection SystemFor Composite Pressure Vessels)利用光時域反射技術(shù)(OTDR)在殼體表面布設(shè)或預(yù)埋少量的傳感光纖，當傳感光纖受到撞擊斷裂后通過探測和解調(diào)反射光回來的時間差并結(jié)合傳感光纖與金屬殼體的物理對應(yīng)關(guān)系，可獲得撞擊位置坐標。另外，大量國外科研人員也利用光纖傳感網(wǎng)格覆蓋或植入飛行器艙體的方法實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測，如專利US7212696B2、US7189959B1、US7406219B2、US7630591 等。國內(nèi)方面如北京航空航天大學的專利CN101776441A公開了一種實時在線的空間飛行器(空間站)殼體受撞擊度與撞擊定位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于分布式光纖傳感器測量應(yīng)力應(yīng)變技術(shù)和空間飛行器殼體受撞擊度與撞擊定位技術(shù)，主要解決了如空間碎片撞擊空間站等非毀滅性撞擊的損傷探測。
[0004]上述專利均采用光纖智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于航空航天飛行器，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測、損傷探測，顯然光纖智能結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法是上述工程應(yīng)用的前提。專利CN1598626A公開了一種智能材料與結(jié)構(gòu)中的光纖智能夾層及制作工藝，用于光纖智能結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)，可探索復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷機理與現(xiàn)象，研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的宏觀力學性能與損傷之間的定量關(guān)系，建立結(jié)構(gòu)損傷主動、在線和實時監(jiān)測。但未涉及具體的工程應(yīng)用如飛行器艙體實現(xiàn)光纖智能結(jié)構(gòu)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種將光纖傳感器預(yù)埋至飛行器殼體中的方法，使得飛行器殼體結(jié)構(gòu)表面形成連續(xù)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，具有實時檢測功能，實現(xiàn)對飛行器殼體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)全面監(jiān)測，如力學性能、溫度特性及損傷情況等。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:飛行器艙體(I)結(jié)構(gòu)表面預(yù)先開設(shè)經(jīng)度光纖凹槽(2)、緯度光纖凹槽(3)，并在飛行器艙體(I)結(jié)構(gòu)兩端預(yù)留經(jīng)度入艙孔(4)，在圓周上設(shè)置分散獨立的緯度入艙孔(5)，將經(jīng)度或緯度光纖傳感器(11)按順序依次放入相應(yīng)的經(jīng)度或緯度光纖凹槽(10)中，并用粘膠劑(12)填充固定，達到飛行器獨立艙體表面形成光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)(8)的目的。經(jīng)度或緯度光纖傳感器在飛行器艙體表面預(yù)埋之后，均通過入艙孔進入艙段內(nèi)部，利用光纖連接器進行集束。飛行器相鄰艙段采取相同的預(yù)埋方法，通過光纖連接器(7)接插相連，實現(xiàn)多艙段光纖傳感器(11)互聯(lián)互通，達到飛行器殼體整體預(yù)埋光纖傳感器的目的。
[0007]所述不同位置的經(jīng)度光纖傳感器(11)可借助兩端的緯度光纖凹槽(3)導(dǎo)向匯集到相應(yīng)的經(jīng)度入艙孔(4)中；殼體表面的經(jīng)度光纖傳感器(11)在艙段兩端匯集成集束光纜
(6)，從經(jīng)度入艙孔(4)進入艙段內(nèi)部集中到艙段兩端的光纖連接器(7)上；殼體表面的緯度光纖傳感器(11)從緯度入艙孔(5)進入艙段內(nèi)部集中到艙段兩端的光纖連接器(7)上。
[0008]所述光纖傳感網(wǎng)絡(luò)(8)中任意兩根相鄰經(jīng)度或緯度方向的光纖傳感器(11)間距可根據(jù)測量精度要求進行調(diào)整，間距越小對應(yīng)測量精度越高。
[0009]所述每根經(jīng)度或緯度光纖傳感器(11)的固定方式為:首先，在飛行器殼體表面按照經(jīng)緯交錯開設(shè)光纖凹槽，然后將光纖傳感器(11)預(yù)埋在光纖凹槽內(nèi)，根據(jù)測量目的不同，選擇相應(yīng)的粘膠劑進行固定，如應(yīng)力應(yīng)變檢測則采用彈性模量大于200Mpa的粘接劑將傳感光纖(6)固定在凹槽內(nèi)，溫度檢測則采用彈性模量小于IOOMpa的粘接劑進行填充。填充后的光纖凹槽(10)表面不突出艙體表面，以利于飛行器殼體熱防護層的套裝。
[0010]所述粘接劑添加了填充劑用于降低粘接劑的熱膨脹系數(shù)，填充劑的熱膨脹系數(shù)小于23X10-6/°C，填充劑相對于粘接劑的質(zhì)量百分比為1%?15%。
[0011]所述同一光纖凹槽內(nèi)可冗余布設(shè)一根光纖傳感器(11)，用于備份。
[0012]所述光纖傳感器(11)為點式光纖傳感器或分布式光纖傳感器。
[0013]所述光纖連接器(7)為多芯光纖活動連接器，相鄰艙段的光纖集束連接時成對使用光纖連接器(7)，成對使用，一端為插頭，另一端為插座。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0015](I)本發(fā)明所述光纖傳感器的固定方式為在飛行器殼體表面加工凹槽作為布設(shè)通道，將每根傳感光纖固定在相應(yīng)的凹槽內(nèi)，或預(yù)埋在飛行器殼體表面內(nèi)，便于傳感光纖的布設(shè)，同時可保證傳感光纖在飛行器飛行過程中不被損壞。
[0016](2)采用的光纖傳感器具有環(huán)境適應(yīng)性好、可靠性高的優(yōu)點，滿足在飛行器飛行過程中的高溫、振動等惡劣條件下使用的要求。
[0017](3)本發(fā)明提出了艙體間光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的續(xù)接方法，可在飛行器殼體表面形成連續(xù)全面的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，并可通過調(diào)整光纖傳感器間距來滿足測量精度要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法示意圖；
[0019]圖2是光纖傳感器繞行艙體開孔的方法示意圖?！揪唧w實施方式】
[0020]如圖1所示，首先在飛行器艙體I結(jié)構(gòu)加工時，預(yù)先開設(shè)經(jīng)度光纖凹槽2、緯度光纖凹槽3、經(jīng)度入艙孔4、緯度入艙孔5。其中，經(jīng)度入艙孔4位于飛行器艙體I結(jié)構(gòu)兩端，緯度入艙孔5在飛行器艙體I結(jié)構(gòu)圓周上分散獨立開設(shè)。
[0021]將經(jīng)度或緯度光纖傳感器11按順序依次放入相應(yīng)的經(jīng)度或緯度光纖凹槽10中，并用粘膠劑12填充固定。將不同位置即將入艙的經(jīng)度光纖傳感器11可在兩端的緯度光纖凹槽3處進行匯集，并導(dǎo)向至相應(yīng)的經(jīng)度入艙孔4中；多路經(jīng)度光纖傳感器11入艙后匯集成集束光纜6并集中到光纖連接器7上；同時，殼體表面的緯度光纖傳感器11從緯度入艙孔5進入艙段內(nèi)部集中到艙段兩端的光纖連接器7上。飛行器相鄰艙段采取相同的預(yù)埋方法，通過光纖連接器7接插相連，實現(xiàn)多艙段光纖傳感器11互聯(lián)互通。
[0022]光纖傳感器11在飛行器艙體I表面的固定方式為:首先，在飛行器艙體I表面按照經(jīng)緯方式開設(shè)凹槽，然后將光纖傳感器11布設(shè)于凹槽內(nèi)，每隔3-5cm設(shè)置一個粘接點，粘接點寬度小于1cm，利用彈性模量大于200Mpa的環(huán)氧樹脂膠或無機膠將光纖傳感器11固定在凹槽內(nèi)，光纖傳感器11與凹槽之間的空隙采用彈性模量小于IOOMpa的硅橡膠或凝膠進行填充。其中，環(huán)氧樹脂膠、無機膠、硅橡膠或凝膠添加了填充劑，填充劑的熱膨脹系數(shù)小于23X10_6/°C，填充劑相對于粘接劑的質(zhì)量百分比為1%?15%，其作用是減小粘接劑和光纖、靶彈結(jié)構(gòu)材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，避免劇烈溫度變化過程中光纖應(yīng)力過大發(fā)生損壞；光纖傳感器11采用聚酰亞胺涂覆，或者碳涂覆，或者金屬鍍膜保護。而同一繞覆凹槽內(nèi)可冗余布設(shè)一路光纖傳感器11 ;當同一通道內(nèi)兩路光纖傳感器11的一路出現(xiàn)意外損壞，可調(diào)整至備份光纖傳感器11，保證整個光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)的完整性，測量功能及測量精度也不受影響，冗余布設(shè)將具有更高的可靠性。
[0023]如圖2所示，飛行器艙體作為重要的結(jié)構(gòu)平臺，不可避免的會在其表面設(shè)計安裝孔13，用于安裝天線、應(yīng)答機等設(shè)備，當經(jīng)度/緯度光纖傳感器11在飛行器艙體表面布設(shè)時將不可避免的遇到這些安裝孔13。此時，可在安裝孔13附近的經(jīng)度或緯度光纖凹槽10中設(shè)計倒角，將光纖傳感器11導(dǎo)入附近與安裝孔13不干涉的凹槽中，在經(jīng)過該安裝孔區(qū)域后再通過倒角將光纖傳感器11回歸到原經(jīng)度或緯度光纖凹槽10中，從而實現(xiàn)此類安裝孔的繞行方式。
[0024]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法，其特征在于:飛行器艙體(I)表面預(yù)先開設(shè)經(jīng)度凹槽(2)和緯度凹槽(3)，并在所述飛行器艙體(I)兩端預(yù)留經(jīng)度入艙孔(4)，用于將分散布設(shè)于經(jīng)度凹槽(2)中光纖傳感器(11)匯集引入艙體內(nèi)部；在所述飛行器艙體(I)圓周上設(shè)置與緯度凹槽(3)—一對應(yīng)的緯度入艙孔(5)，用于將在艙體表面緯度凹槽(3)內(nèi)繞覆一周的光纖傳感器(11)引入艙內(nèi)；所有光纖傳感器(11)在飛行器艙體(I)表面凹槽內(nèi)布設(shè)完畢后，用粘膠劑(12)填充凹槽將其固定，實現(xiàn)在飛行器艙體表面預(yù)埋光纖傳感器；通過經(jīng)度入艙孔(4)和緯度入艙孔(5)進入艙體內(nèi)部的光纖傳感器(11)在艙體兩端匯集成集束光纜(6)，并集成于光纖連接器(7)，然后與傳感器信息采集設(shè)備連接用于傳感信息采集，或者與相鄰艙體的光纖連接器(7)接插，用于實現(xiàn)多艙體的光纖傳感器(11)互相連通。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法，其特征在于:所述光纖傳感器(11)的測量精度與其在飛行器艙體表面的布設(shè)間距有關(guān)，間距越小對應(yīng)測量精度越高，通過調(diào)節(jié)相鄰經(jīng)度凹槽(2)或緯度凹槽(3)的間距從而獲得不同的測量精度。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法，其特征在于:所述光纖傳感器(11)的固定方式根據(jù)測量目的不同，選擇相應(yīng)的粘膠劑進行固定，對于應(yīng)力和應(yīng)變檢測則采用彈性模量大于200Mpa的粘接劑填充凹槽并將其固定，對于溫度檢測則采用彈性模量小于IOOMpa的粘接劑；預(yù)埋有光纖傳感器(11)的凹槽通過粘膠劑填充后表面不突出艙體表面，以利于飛行器艙體熱防護層的套裝。
4.按照權(quán)利要求2所述的一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法，其特征在于:所述同一經(jīng)度凹槽(2)或緯度凹槽(3)中可冗余預(yù)埋光纖傳感器(11)用于備份。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法，其特征在于:光纖傳感器(11)為點式光纖傳感器或分布式光纖傳感器。
6.按照權(quán)利要求1所述的一種飛行器艙體預(yù)埋光纖傳感器的方法，其特征在于:所述光纖連接器(7)為多芯光纖活動連接器，成對使用，一端為插頭，另一端為插座，在相鄰艙體對接時將表面的光纖傳感器(11)互相連通。
【文檔編號】G01M11/08GK103837333SQ201410048814
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月12日
【發(fā)明者】王巍, 單聯(lián)潔, 楊勇, 田凌菲, 蓋永輝, 崔留住, 張東旭, 胡常青, 王宇 申請人:北京航天時代光電科技有限公司